体内に埋め込むことができる小さな圧電力センサーを想像してみてください。損傷した臓器の生理的圧力の変化を監視したり、正確な薬剤送達を助けたり、組織の修復や再生を促進したりすることができます。そして何より素晴らしいのは、 バッテリー残量なし 、使用後は、本体 吸収して分解する 侵襲的な除去手術の必要性を排除します！

しかし、無機セラミックや有機ポリマーといった従来の圧電材料は、分解性が不十分で細胞毒性があるという問題を抱えています。科学者たちは、アミノ酸結晶を有望な候補として特定しました。 生体適合性 そして展示する 優れた圧電性 プロパティ 問題は、これらの結晶が散らばった砂のように小さすぎるため、機能的なデバイスに整列させることが非常に困難であることです。

南京大学の研究者Yi Cao氏とBin Xue氏は解決策を発見した。それは「 機械的焼鈍 天然アミノ酸結晶を圧電材料として用い、完全に有機的で生分解性の圧電力センサーを開発しました。機械的な焼きなまし処理を施すことで、結晶の発電能力は飛躍的に向上し、単結晶粉末の12倍の圧電係数を達成しました。さらに、処理された結晶フィルムは携帯電話のスクリーンプロテクターのように滑らかで平坦になり、電極との接触が大幅に改善され、より強力で安定した電気信号を実現しました。

その結果、「 吸収性圧電力センサー 包装された後、体内に移植され、筋肉の収縮や肺の呼吸などの動的な動きを正常に監視しました。 4週間継続して その後、彼らは 炎症や全身毒性を引き起こすことなく徐々に分解される この画期的な進歩は、将来の医療に新たな希望をもたらし、臨床応用が期待される完全に有機的で生分解性の力センサーの設計と製造への道筋を示しています。

パッケージ化された力センサの製造：

機械的にアニールした結晶膜の作製： イソロイシンを脱イオン水に溶解して溶液とし、加熱後、氷水浴に移して静置することで結晶核を形成させた。結晶は回収され、オーブンで乾燥された。調製したイソロイシン結晶を錠剤型に充填し、機械的アニール処理を施すことで、丸いフィルム状の結晶が得られた。他のアミノ酸結晶およびそれらの機械的アニール処理済み結晶も同様の方法で調製された。

PLA-PAN電極の準備： ポリ乳酸（PLA）をジクロロメタン（DCM）に溶解し、センサーの外側の「保護膜」として機能するPLAフィルムを作製しました。しかし、膜だけでは不十分です。センサーには微弱な電気信号を収集するための電極が必要です。研究者たちは巧妙な手法を用いました。PLAフィルムの片面を「反応性溶液」（硫酸とアニリンを含む）に浸したのです。処理後、元々絶縁体であったPLAフィルム表面がポリアニリン（PAN）の導電層でコーティングされ、保護機能と導電機能の両方を備えた「PLA-PAN複合電極」へと変貌しました。

「パワーコア」を統合：圧電結晶フィルム： 機械的に焼きなましたアミノ酸結晶フィルムは、圧力を電気信号に変換するセンサーの「心臓部」です。中央に穴を開けた正方形のPLAフィルムを用意しました。この穴に結晶フィルムを挟み込み、サンドイッチ層を形成しました。PLA-PAN電極を正方形のフィルムに切り出し、その間にサンドイッチ層を挟みました。完全な密閉性を確保するため、特殊なPLA接着剤（これも溶解したPLAから作られています）をすべてのエッジと表面に丁寧に塗布し、いわば「サンドイッチをラップで包む」ようにしました。接着剤が乾燥すると、完全に密封されたパッケージ化されたフォースセンサーが完成しました。

生体内での使用に向けた最適化： 実際に移植を目的としたバージョンでは、科学者らは重要な最適化を行いました。 生分解性を高めるため 、8本鎖ポリエチレングリコールアミン塩酸塩（ 8アームPEG-NH ₂ ·HCl（SUC） ）をPLA溶液に混合し、結晶フィルムを2つのPLA-PAN電極（中間のPLAフィルム層は除く）の間に直接配置し、PLA接着剤で密封しました。ポリエチレングリコールとその誘導体は、米国食品医薬品局（FDA）によってバイオメディカル製品向けに認証されている数少ないポリマーの一つであり、極めて低い細胞毒性と優れた生体適合性で知られています。

パフォーマンスと重要性:

実験検証により、設計された圧電力センサーは優れた生体適合性、長期安定性、生分解性を備えていることが確認されました。 この研究は、大規模で高度に秩序化されたイソロイシン結晶材料の製造を可能にする機械的アニーリング戦略を提案した初めての研究です。

この方法は汎用性が高く、生体材料をベースとした他の圧電フィルムの設計・製造にも応用できます。フィルム内の結晶相の高度な配列により、マクロ的な圧電係数が大幅に向上するとともに、平滑で平坦な表面が導電性ポリマー電極との強固な接続を確保します。その結果、パッケージ化された力覚センサーは高い感度と広い力覚検出範囲を実現します。

最近、研究者らはペプチドとその誘導体を用いて様々な新規生体分子結晶の探索を行っており、これらの結晶は本研究で使用した材料をはるかに凌駕する圧電係数を示す。機械的アニーリング法の汎用性を考慮すると、イソロイシンをこれらの新規圧電生体材料に置き換えることは、アミノ酸ベースの生分解性力センサの性能をさらに向上させる上で大きな期待が寄せられている。

8アームPEG-NH ₂ ·本研究で使用したHCl（SUC）は、 厦門シノペグバイオテクノロジー株式会社 Sinopegは、8アーム（SUC）ストラクチャード商品を幅広く取り揃えております。お気軽にお問い合わせください。

参照：

Cheng, Yuanqi他「機械的アニーリングによるアミノ酸結晶の圧電感度の向上と、完全分解性力センサのエンジニアリング」Advanced Science 10.11 (2023): 2207269。